而最近开发出来的一项新技术能够更准确地进行基因编辑——这一点对于开发基因疗法尤为重要。

与目前流行的CRISPR-Cas9体系相比(见图),一种名为“先导编辑”的新型基因编辑工具可以更精准地对DNA进行编辑。| 图片来源:Juan Gaertner/SPL

这个被称为“先导编辑”的新方法能够更准确地对靶位点进行修饰,减少不必要的位点改变。10月21日,《自然》发表的一篇论文[1]描述了该工具,称其能够降低“脱靶”发生风险——标准CRISPR–Cas9体系在应用中的主要挑战之一,这意味着基于先导编辑的基因疗法具有更高的安全性。

除了精准性,多样性是先导编辑的另一大优势——这种技术有望实现更广泛的基因修饰,也许未来的某一天,它能够解决现在许多基因编辑研究人员束手无策的遗传性疾病。博德研究所的化学生物学家David Liu是上述论文的通讯作者,据他估计,对于美国国立卫生研究院ClinVar数据库列出的75,000多个与疾病相关的DNA变异,先导编辑或许将帮助研究人员解决其中的近90%。

Liu表示这种新工具可以实现的基因编辑具有较高特异性,研究人员可以借助该特点在实验室中进行疾病造模,或对特定基因的功能进行研究。

“尽管现在尚属开发早期,但已有的结果看起来棒极了。”普林斯顿大学DNA修复与基因编辑研究员Brittany Adamson说,“它很快就会流行起来。”

先导编辑可能无法实现CRISPR–Cas9能够做到的大段DNA插入或删除,因此不会完全取代现有的成熟的基因编辑体系,马萨诸塞大学医学院的分子生物学家Erik Sontheimer说。这是因为在先导编辑中,需要修改的基因主要编码在一段RNA上,RNA链越长,就越容易被细胞内的酶破坏。

“不同类型的基因编辑需求,需要不同的基因编辑体系来实现。”Sontheimer说。

但相比目前其它的CRISPR替代基因编辑体系,先导编辑的基因编辑功能更加精准多样。这些体系包括改良版CRISPR–Cas9体系——让研究人员可以实现单个DNA碱基的替换;以及一些更老的基因编辑工具,比如锌指核酸酶,它们很难对单个DNA碱基进行编辑。

带着镣铐跳舞:自由与精准

CRISPR–Cas9和先导编辑均通过在基因组中的特定位点切断DNA发挥作用。前者会切断DNA双链,然后依靠细胞自身的修复系统来修补损伤并进行基因编辑。但这种修复系统可能在基因组被切断的位置插入或删除DNA碱基,并不全然可靠。因此,研究人员无法控制基因编辑的结果,细胞和细胞间也可能存在差异。

此外,即便研究人员加入了模板引导基因组编辑,相比在基因组中插入特定的DNA序列,大多数细胞中的DNA修复系统更倾向于插入或删除单个或少数几个碱基。因此,研究人员很难,甚至几乎不可能依靠CRISPR–Cas9体系将某个DNA片段替换为目标序列。

先导编辑则能绕开这些问题(参见“基因编辑进入精准时代”)。尽管它也和CRISPR–Cas9体系一样,使用Cas9识别特定的DNA序列,但先导编辑中的Cas9经过了改造,只切断1条DNA链,随后逆转录酶在RNA链的引导下在切断处进行基因编辑。

先导编辑酶不需要切断DNA双链,因此研究人员不必依靠他们无法控制的细胞DNA修复系统对被切断的DNA链进行基因编辑。这意味着借助先导编辑系统可以开发出基因突变相关遗传性疾病的治疗方法,而现有的基因编辑工具暂无法轻易做到这一点。

多用途基因编辑工具

此前,包括Liu在内的研究人员都认为需要针对具体的每一种基因编辑类型(如插入、删除、碱基替换等)开发基因编辑工具。如果想要进行精准替换,我们的选择非常有限。

之前还有一种技术被称为“碱基编辑”,其精准程度可以和先导编辑媲美。该技术可以通过化学方法在不切断DNA双链的情况下,直接实现碱基替换,比如将T换成A,G换成C——CRISPR–Cas9可做不到这一点[2]。这项技术也是由Liu开发出来的,有望用于治疗某些单基因遗传疾病,包括最常见的镰状细胞贫血。

但是,碱基编辑不能解决由多碱基突变引起的遗传疾病,例如泰-萨克斯病(Tay-Sachs disease),这种通常具有致命性的疾病是由HEXA基因中误插入4个DNA碱基所致。

因此,Liu和他的同事开始着手开发新的精准基因编辑工具,他们对新体系的定位是灵活、易控制、能实现多种基因编辑功能。2018年,Liu的团队想到了先导编辑:这是一个由多种酶组合而成的体系,其中就包括改良的Cas9酶,能够在几乎不破坏DNA双链的情况下改变、删除单个碱基或插入小段DNA序列。

“这个技术非常棒。”Sontheimer说,“它能够实现多种形式的基因编辑,这是一项重大的突破。”

现在需要做的是评估该基因编辑体系如何能够在各种细胞和生物体内稳定运作。“这项研究只是生命科学领域一个长期目标的起点,而非终点,我们长久以来梦想着的是能够根据需要,对生物体基因组的任何位点进行任何改变。”Liu说。

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